光學的創(chuàng)新與實虛轉(zhuǎn)化技術(shù)的哲學解讀

陳斯紅　陳孫藝（.于默奧大學物理學院，瑞典于默奧 SE-9087；.茂名重力石化機械制造有限公司，廣東茂名 5504）

光學的創(chuàng)新與實虛轉(zhuǎn)化技術(shù)的哲學解讀

陳斯紅1陳孫藝2
（1.于默奧大學物理學院，瑞典于默奧 SE-90187；2.茂名重力石化機械制造有限公司，廣東茂名 525024）

簡述了光學和實虛轉(zhuǎn)化技術(shù)的發(fā)展，光學的技術(shù)創(chuàng)新及其在實虛轉(zhuǎn)化專業(yè)的應用包括技術(shù)歷程、技術(shù)現(xiàn)狀和未來，從哲學的角度提出了對實虛轉(zhuǎn)化技術(shù)現(xiàn)狀的7點認識，包括實虛轉(zhuǎn)化換代質(zhì)變、實虛互化循環(huán)升級、組合技術(shù)的放大效應、量變質(zhì)變的動態(tài)發(fā)展、事物的矛盾性和相對性，以及實虛轉(zhuǎn)化的能動規(guī)律，指出存在問題和值得研究的方向。

光學成像 光學隱身 光學幻覺 哲學

北極多彩的自然極光除了給人夢幻般的感覺，也給學者帶來連篇的科技夢想，汪國平教授主講的“從光學成像到光學隱身與光學幻覺”就展示了一場人間高新尖端技術(shù)的發(fā)展歷程，首先，通過MAXWELL方程組求解光學反問題、進而獲得電磁參數(shù)的過程，介紹了隱身斗篷的原理，令人興趣盎然。其次，通過多種照明物體和光學幻覺裝置的解析統(tǒng)一、實現(xiàn)光場調(diào)制，進而獲得電磁參數(shù)的過程，介紹了光學幻覺的原理，令人拍案叫絕。最后，基于物理過程而避開對材料參數(shù)的要求，通過數(shù)值模擬和光學實驗證明，正折射率材料同樣可以實現(xiàn)遠程光學隱身及光學幻覺功能，令人浮想聯(lián)翩。在這里，姑且稱之為實虛轉(zhuǎn)化技術(shù)。

現(xiàn)實社會中，全世界的小孩都玩捉迷藏，誰都可以一輩子回味兒童游戲的歡樂，那遙遠的隱身實踐何嘗不正是虛實轉(zhuǎn)化欲望的萌芽。只有城里的小孩體會過哈哈鏡，誰也忘不了神奇的變形曾經(jīng)的傻笑，那驚喜的背后或許刻下了實虛轉(zhuǎn)化的烙印。部分小孩可能因為新衣裳而盼望過年，誰也不會否認光鮮的外表何等甜蜜，但是他（她）們基本不會意識到這種化自卑為異彩的幸福里就包含實虛轉(zhuǎn)化的成份。大多數(shù)人對高尖技術(shù)的本質(zhì)難以理喻，捧讀其專著味同嚼蠟，少有收獲。但是，這不妨普通讀者從自我興趣出發(fā)，通過不同的角度對自然和人類的創(chuàng)新加以審視和討論，在認識論的海闊天空里遨游。

1　光學的技術(shù)創(chuàng)新及其應用

為了紀念千年來人類在光和光應用技術(shù)領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)，提高公眾對光的重要性的認識，推進光在能源、教育、農(nóng)業(yè)和健康方面的發(fā)展，聯(lián)合國早前宣布2015年為“光和光基技術(shù)國際年”［1］。

1.1關(guān)于實虛轉(zhuǎn)化技術(shù)的歷程，有很多令人驕傲的成果

圖1　概念的交互關(guān)系

在專家學者關(guān)于光學理論發(fā)展的主線上，1015年阿拉伯學者伊本·海賽姆的五卷本光學著作發(fā)表；1815年菲涅爾提出光波理論；1865年麥克斯偉提出光電磁傳播理論；1905年愛因斯坦提出光電效應理論，1915年又通過廣義相對論將光列為宇宙學的內(nèi)在要素；1965年英籍港人高錕在光傳輸于光纖的光通信方面取得成就，后來獲得諾貝爾獎［1］。英國科學家道爾頓（John Dalton，1766-1844）被稱為天才，原因之一是他對自己缺陷的認識深刻到推動人類的知識，知道自己的色覺問題而請求死后解剖他的眼睛。

在光學知識的普及教育認識上，已知光的形式多種，包括引起人類視覺的可見光以及人眼不能識別的紅外線、紫外線、X射線、γ射線、無線電波和微波。北京大學教授饒毅在科學網(wǎng)上的《色》，通過物理學中色與波長的關(guān)系，以及神經(jīng)生物學中色與感覺的關(guān)系展示了視錯覺（Visual Illusion），不是所有的動物都有視覺，植物只有光感而沒有視覺，感光細胞具有高度的敏感性。

在工程技術(shù)的主線上，光學材料的發(fā)展是從板狀硬性鏡面到纖維狀柔性線條的形態(tài)變化過程，也是從原材料直接加工到納米技術(shù)復合材料的發(fā)展過程，材料表面加工技術(shù)也是一條由粗到精的輔線。光功能似乎無窮無盡，應用于圖像信號通訊增強人們的聯(lián)系和交流，應用于雜技魔術(shù)娛樂人們的生活，應用于夜視、無損檢測拓展人類肉眼的能力，應用于提高光效技術(shù)可以限制能源浪費并減少光污染，應用于腐蝕分析可以保護文化遺產(chǎn)，應用于探索未知以了解我們棲息的世界和生存的宇宙［1］，現(xiàn)實中很多豐富多彩的信息被轉(zhuǎn)化成單調(diào)乏味的數(shù)字，實虛轉(zhuǎn)化早已白天黑夜?jié)B透人類社會生活。

1.2關(guān)于實虛轉(zhuǎn)化技術(shù)的現(xiàn)狀，有很多進行中的工作

從技術(shù)而言，實現(xiàn)了從傳統(tǒng)的變換光學方法的第1代，到光學傳遞函數(shù)的第2代，再以這兩者為基礎(chǔ)，拓展到在正折射率材料上實現(xiàn)隱身及幻覺的發(fā)展的第2.5代。而量子隱形傳態(tài)技術(shù)無疑是革命性的全新一代。2015年2月26日出版的《自然》以封面標題的形式公報了中國科技大學潘建偉項目組的“多自由度量子體系的隱形傳態(tài)”研究成果［2］，利用單光子非破壞測量技術(shù)實現(xiàn)自旋和軌道角動量多自由度貝爾態(tài)測量，搭建了6光子11量子比特的糾纏實驗平臺，量子信息可以被瞬間傳遞并被復制，量子物理一個深遠而令人費解的預言邁開了現(xiàn)實的第一步，實現(xiàn)了原來只在科幻中的“超時空傳輸”，證實了愛因斯坦的想象。2009年，他們研制了“量子電話樣機”，并在商業(yè)光纖網(wǎng)的基礎(chǔ)上組建了可自由擴充的光量子電話網(wǎng)，實現(xiàn)了“即通及安全”的量子保密電話。國家目前正以此建設(shè)世界最長的量子保密通信骨干網(wǎng)絡工程——“京滬干線”，并實施戰(zhàn)略性先導科技專項“量子科學實驗”工程。未來十年，量子保密通信有望走向大規(guī)模應用。

從功能而言，實現(xiàn)了從包袱似的立體隱身、到地毯式的平面隱身，從近程幻覺到遠程幻覺，從負折射率材料再到正折射率材料的升級。實現(xiàn)了從音頻到遠程視頻，實現(xiàn)了從電腦模擬到3D打印。3D打印機功能上與激光成型技術(shù)一樣，采用分層加工、迭加成形，即通過逐層增加材料來生成3D實體，這是斷層掃描的逆過程，斷層掃描是把某個東西“切”成無數(shù)疊加的片，3D打印就是把一片一片的打印疊加到一起，成為一個立體物體，其中的模擬原型也可以通對實物進行3D掃描測量來獲取成像。

從應用對象而言，實現(xiàn)了從單種斗篷到多種斗篷，從斗篷的具體實物到照明物體的概念化，再到把具有折射率材料的范圍從點擴成面覆蓋。顯然，這樣的認識還是感性和表層的。

1.3關(guān)于實虛轉(zhuǎn)化技術(shù)的未來，有太多令人鼓舞的課題

在核心技術(shù)理論上，光的波粒二象性實質(zhì)是指其同時具有波動性和粒子性所融為一體的二重性，還是此時的波動性和彼時的粒子性所一分為二的二元性？如果是后者，其轉(zhuǎn)換是瞬間即現(xiàn)的還是有過程的？轉(zhuǎn)換過程有哪些影響因素？轉(zhuǎn)換的條件是如何的？能物理建?；驍?shù)學建模嗎？還有，云計算能從變幻莫測的極光模擬中提取出規(guī)律性嗎？

在關(guān)聯(lián)技術(shù)研究上，無論光學隱幻技術(shù)發(fā)展得多強大，那還是一門光學。其應用僅僅是刺激人類的視覺而已，這還是一個靜悄悄的世界。那么，把聲學交叉進來，通過對波場波動特性的調(diào)制，付之以生動的靈性。無論光學隱幻技術(shù)發(fā)展得多完美，那也還是一門相對的技術(shù)。其基礎(chǔ)強烈依靠照明物的外形結(jié)構(gòu)，這還是一個表面化的世界。那么，把多余的結(jié)構(gòu)撇除，通過對光學數(shù)字信號重組技術(shù)，彌補照明物輕量化后、與傳統(tǒng)比較的缺失。在工程技術(shù)應用上，以光電磁及其傳播理論為基礎(chǔ)，以納米材料及其加工理論為微觀和細觀技術(shù)代表，以海市蜃樓及其模擬技術(shù)為宏觀典型的研究可成為近期的研究熱點。

2　實虛轉(zhuǎn)化技術(shù)的哲學解讀

2.1實虛轉(zhuǎn)化換代質(zhì)變

2008年科學家已宣布他們距離制成可使人類隱身的材料僅有一步之遙。據(jù)稱，來自美國加州大學伯克利分校的研究人員開發(fā)出了一種新型納米材料，可使3D物體周圍的光線折射后繞過物體，從而達到隱形的效果，研究團隊表示今后將有足夠大的這種材料出現(xiàn)，可使人類隱身。該成果也已經(jīng)發(fā)表在《自然》和《科學》上，其原理主要基于負折射現(xiàn)象，這是俄國科學家Veselago在1968年提出的：當光波從具有正折射率的材料入射到具有負折射率材料的界面時，光波的折射與常規(guī)折射相反，入射波和折射波處在于界面法線方向同一側(cè)。負折射率材料是在本世紀初才開發(fā)出來的，此前負折射現(xiàn)象只能在人不可見的微波波段實現(xiàn)，而新材料則能夠在可見光波段實現(xiàn)負折射。新材料使用納米級網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)的銀和鎂氟化物，研究人員表示光線在這種材料中傳播就像水流繞過石頭一樣，結(jié)果是從物體正面僅可以看到背面?zhèn)鱽淼墓饩€。另一方面，這種材料可以迅速應用于通信和其他領(lǐng)域，例如使用這種負折射率材料制造“超級透鏡”，能夠突破光波衍射極限，觀察到更微小的物體。

應該說，上述報道的技術(shù)內(nèi)容還未超出汪教授講座的范圍，也即由于第1代和第2代最后都要獲取電磁參數(shù)實現(xiàn)實虛轉(zhuǎn)化，這不是技術(shù)的質(zhì)變，只是同一技術(shù)的不同技巧。由于第2.5代避開了對材料參數(shù)的要求，即使還需要獲取電磁參數(shù)實現(xiàn)實虛轉(zhuǎn)化，但是所依賴的物理參數(shù)已改變，已是技術(shù)的質(zhì)變。

2.2實虛互化循環(huán)升級

從實物到隱形只是實虛轉(zhuǎn)化的第一步，其表現(xiàn)是從有到無。從實物到幻覺是實虛轉(zhuǎn)化的第二步，幻覺（偽裝）多了欺騙，其表現(xiàn)是從有經(jīng)過原有的無、到了新的有。因此，實現(xiàn)了有→無→有的循環(huán)。但是這只是單向循環(huán)，或者說是簡單的循環(huán)。正如該技術(shù)的材料從負折射率材料到正折射率材料的升級一樣，該技術(shù)也只有進一步從“實→虛轉(zhuǎn)化”發(fā)展到“虛→實轉(zhuǎn)化”，也就是從順變到逆變，從單向轉(zhuǎn)化上升到雙向互轉(zhuǎn)，雙向簡單循環(huán)，才能為“虛?實互轉(zhuǎn)”打下基礎(chǔ)，混亂中找到一一對應、有條不紊。最終實現(xiàn)雙向復雜循環(huán)。否則，就像字體轉(zhuǎn)換結(jié)果的亂碼，宛如天書。但是，虛實互化技術(shù)的實現(xiàn)也就同時意味著實虛轉(zhuǎn)化技術(shù)的危機，當對方能虛實轉(zhuǎn)化時，我方的實虛轉(zhuǎn)化就失去了意義。這種從無到有、從研發(fā)到淘汰的技術(shù)生態(tài)，究竟是雙向復雜循環(huán)的螺旋升級，還是哲學中的物極必反呢？

2.3組合技術(shù)放大效應

百多年前，人類進入了機電一體化時代，現(xiàn)在，光機電磁一體化技術(shù)已嫻熟應用在社會的各個角落。時髦的管理者常拿1+1＞2來諄諄強調(diào)組合的放大作用，古老的傳說也同時告誡人們關(guān)于兩個和尚沒水吃的無奈。這是什么原理呢？肯定不是化學反應，但是也不能完全肯定全部是物理作用的結(jié)果。也許是組合與混合的微妙區(qū)別，或者是局部與整體的正確關(guān)系。

可以預見的是，這些正確的組合也不夠了，人類欲罷不能的貪婪終將通過云計算技術(shù)把時間這個動態(tài)因素、通過納米技術(shù)把材料這個靜態(tài)因素，也一并深刻地嫁接進去，培育出虛實融化、變幻無常的奇妙世界?？茖W技術(shù)真是第一力。

2.4實虛轉(zhuǎn)化永遠處于量變質(zhì)變的動態(tài)發(fā)展中

這是時代發(fā)展的必然。慢吞吞的轉(zhuǎn)化絕不是隱方的大忌，同樣在野外開闊地隱身，狙擊手的服裝只要隨環(huán)境漸變，但是有時也要隨強光劇變。任何劇變就意味著超大規(guī)模量的計算或微元?；糜X還分為靜幻和動幻。浙江大學是國內(nèi)光學研究的佼佼者，研發(fā)的光學隱形材料——光在該裝置內(nèi)“轉(zhuǎn)彎”，但穿過裝置后仍按原來的方向傳播。據(jù)研發(fā)人員透露，下一步就是要讓這種材料也能讓電磁波“轉(zhuǎn)彎”。據(jù)悉，浙大的“光學工程”在全國95個“一級學科”中排名第一。實虛轉(zhuǎn)化技術(shù)的動態(tài)既包括技術(shù)自我發(fā)展，也包括技術(shù)應用環(huán)境的適應性。春夏秋冬的全球地理，白天黑夜的世界風貌，前身后世的高山海洋，該技術(shù)都能貼切服務、運用自如嗎？

2.5實虛互化技術(shù)反映事物的矛盾性

矛盾是事物發(fā)展的動力源泉。戰(zhàn)爭對安全的需要與現(xiàn)實有矛盾。那么，從周邊環(huán)境實時取樣，分解其構(gòu)成編程成模塊，使得戰(zhàn)艦可與大洋波濤實虛互化，戰(zhàn)機可與藍天云彩實虛互化，戰(zhàn)車可與山林灌木實虛互化。交通對安全的需要與現(xiàn)實有矛盾。那么，從事故環(huán)境的車水馬龍時段實時取樣，在環(huán)境的事故多發(fā)時段連續(xù)播放，從虛到實強烈提示安全標識，引導過往人車秩序井然。而奔馳工程師研制的隱形奔馳將不可避免地發(fā)生嚴重相撞事故，現(xiàn)實還有人對其充滿癡迷，認為可以在任何地方停車而不用擔心被開罰單。不過，也許要賠的是癡迷者的生命。青春對美麗的需要與現(xiàn)實有矛盾。那么，從本人的臉龐掃描取樣，分解其色素組織編程調(diào)制，使得紅逗暗瘡可與紅粉嬌嫩實虛互化。奧運會對健體強魄的精神與巨額投入的現(xiàn)實需要有矛盾。那么，從虛到實轉(zhuǎn)換出一盤不耗燃料的熊熊圣火來興奮大眾吧。公園對著名景觀的需要與現(xiàn)實有矛盾。那么，從虛到實塑造一個遠隔千山萬水的風暴名勝來過把癮吧。觀眾對晚會魔術(shù)的需要與現(xiàn)實有矛盾。那么，從虛到實塑造一個翻天覆地的英豪來崇拜吧。

2.6實虛互化技術(shù)反映事物的相對性

從物質(zhì)的層面來說，虛與假兩個概念沒有什么區(qū)別。發(fā)散思維中的哲學使概念的創(chuàng)新形成原理的創(chuàng)新，具備相對性。以實虛來分析，與真假就不等同，有實的真和實的假，例如空中的彩虹和色盲，也有虛的真和虛的假，例如鏡中花和影視作品中的穿越。實虛真假構(gòu)成了圖1所示的12種概念關(guān)系，如果再把有和無這兩個概念加進去，則可產(chǎn)生20種相對的概念關(guān)系。如果進一步把空這概念加進去，就更多概念關(guān)系。因此，從哲學的角度來說，概念的組合相互促進發(fā)散。

光學的三原色也具有相對性，自然界以紅、黃、藍為三原色，計算機則以紅、綠、藍為三原色。這是因為人眼接收到的光線本來就有兩種類型：一種是反射光或透射光，另一種是光源直接發(fā)出的光。我們在自然界中看到的大部分物體都是因為反射光或透射光的作用，而計算機顯示器上出現(xiàn)的色彩則是光源的作用。因此出現(xiàn)兩種“三原色”沒有孰對孰錯，只是相對的光源類型不同而已。那么，當打印電腦中設(shè)計的彩色模型時，是否要把綠色轉(zhuǎn)換成黃色才有等同的視覺效果呢？

2.7實虛轉(zhuǎn)化技術(shù)的能動規(guī)律

實虛互化技術(shù)不僅被人類掌握，也屬于動植物的生物技能。動物在實踐中主動演化自己，通過偽裝伏擊獵物，通過扮妝吸引異性或恐嚇競爭對，這成功的背后沒有主動的認識嗎？禾雀花模擬禾花雀，蝴蝶蘭模擬蝴蝶，而蝴蝶又模擬生存環(huán)境中各種花的圖案，蘭花螳螂、魔花螳螂和刺花螳螂則已分不清是動物模擬植物，還是植物模擬動物，這相互依賴的背后肯定包涵著智慧。

水中的章魚帝可以從形和色兩方面協(xié)調(diào)雙變，不可一世；地上的變色龍雖則有的進化與樹枝近形，但大多在危急時就只能以色隱形，或者就在茫茫沙漠中枯懆一世；而空中短命的彩蝶居然懂得變

……

……換翼面單色微粒的排列間隙來折射光線，從而表現(xiàn)出不是顏色的艷麗，這也符合前面所述的兩種三原色的原理，不枉此生。因此從廣義而言，人類并不是納米技術(shù)的發(fā)明者，動植物要積極主動得多?？蓱z的是，憤怒小鳥受玻璃幕墻實物虛景的欺騙，不撞南墻不回頭、撞了南墻頭破血流，悲慘一生。因此，在實虛轉(zhuǎn)化技術(shù)的研發(fā)應用中，人類不但需向生物虛心學習，還需要檢討如何尊重自然，發(fā)揮更大的主觀能動性。

3　結(jié)語

盡管實虛轉(zhuǎn)化技術(shù)通過動植物和人類早已滲透到歷史的方方面面，但是這還只是一個技術(shù)方向而尚未成為一個專業(yè)，當前分散的研究無非是東敲西打而已，光學不等于實虛轉(zhuǎn)化學，后者的框架構(gòu)建尚未見棟梁和立柱，無論其在應用上雜耍得多么漂亮，手段再怎么五花八門，都只是在某個方向的小圈里轉(zhuǎn)悠而已。大多數(shù)科學家認為，約有四分之三的宇宙正在以暗物質(zhì)和暗能量的形式消失，而這兩者目前都沒被直接觀察到。人類怎能用眼看到暗呢？武俠小說里的奇門遁甲曾幾何時引起青少年的好奇與懷疑，相信這項魅力技術(shù)吧，趕快加入到實虛互化的技術(shù)團隊中，跟蹤光學隱幻技術(shù)，開創(chuàng)山川河流和風云雷電的模擬，促進仿真與模擬的常態(tài)化，升級錢學森先生的《工程控制論》，引導我們穿越時空，去為造福生命星球而創(chuàng)新。

［1］余文.2015年是“國際光年”［N］.羊城晚報，2015.3.10，B5.

［2］微微.“瞬間移動”離我們越來越近［N］.羊城晚報，2015.3.28，B5.

陳斯紅（1992—），女，廣東化州人，大學在讀，研究方向：電子物理。